基于光纖環(huán)形腔衰蕩技術(shù)的車輛動(dòng)態(tài)測量傳感裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技術(shù)和車輛動(dòng)態(tài)稱重及速度監(jiān)測的動(dòng) 態(tài)測量傳感裝置，具體設(shè)及一種基于光纖環(huán)形腔衰蕩技術(shù)的車輛動(dòng)態(tài)測量傳感裝置及方 法，屬于光纖傳感和車輛動(dòng)態(tài)測量領(lǐng)域;本實(shí)用新型的裝置是基于光纖環(huán)形腔衰蕩光譜技 術(shù)、車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)和速度監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的動(dòng)態(tài)測量傳感裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 公路作為一個(gè)國家重要的經(jīng)濟(jì)命脈，交通運(yùn)輸行業(yè)的信息化目前正處于高速發(fā)展 階段。實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車的自動(dòng)檢測和實(shí)時(shí)監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)交通信息化的必不可少的手段。而對(duì)于 車輛的稱重，傳統(tǒng)的方法都是在靜態(tài)下進(jìn)行的，運(yùn)種整車測量方法精度雖然很高，但是存在 很大的缺陷，如價(jià)格高，不能分別測出軸重等。且公路交通正朝著高速化和信息化發(fā)展，運(yùn) 種耗時(shí)長、價(jià)格昂貴的傳統(tǒng)方法將會(huì)漸漸被淘汰。
[0003] 壓電薄膜傳感器是目前一種較新的車輛綜合信息采集傳感器，是國內(nèi)外研究應(yīng)用 的一個(gè)熱點(diǎn)。壓電薄膜利用壓電效應(yīng)(piezoelectric effect)的原理，當(dāng)汽車輪胎經(jīng)過壓 電薄膜時(shí)，傳感器受沖擊產(chǎn)生電荷信號(hào)，通過解調(diào)沖擊電荷信號(hào)，可獲取車輛的速度、重量、 車型等信號(hào)，也能很容易的得到車流量信息。雖然運(yùn)種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車速、車重、車流量、車 型的測量，但也存在明顯缺點(diǎn)，例如壓電信號(hào)可直接傳輸?shù)木嚯x短，因此信號(hào)處理中屯、距離 傳感器不能太遠(yuǎn)，系統(tǒng)一致性較差，并且目前產(chǎn)品技術(shù)主要為進(jìn)口，所用壓電薄膜材料價(jià)格 昂貴，不適于推廣應(yīng)用。
[0004] 光纖車輛信息傳感器在交通中尚未獲得實(shí)際應(yīng)用，且目前研究最熱的莫過于光纖 布拉格光柵傳感器。光纖化agg光柵傳感器的基本原理是：當(dāng)光柵周圍的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或 其他待測物理量發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或者纖忍折射率的變化，從而產(chǎn)生光柵化agg 信號(hào)的波長漂移A λ，通過檢測化agg波長的漂移情況，即可獲得待測物理量的變化情況。光 柵Bragg傳感器最顯著的優(yōu)勢就是有相當(dāng)高的靈敏度，能探測微小信號(hào)的變化。同時(shí)，又由 于對(duì)微弱信號(hào)的過于敏感，從而對(duì)一些外界變化不能夠明顯區(qū)分，給實(shí)驗(yàn)設(shè)備提出了更高 的要求。因此，光纖光柵傳感器價(jià)格比較昂貴，離實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化還有相當(dāng)長的一段距離。
[0005] 除此之外，近年來，基于干設(shè)原理的光纖壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生，例如:F-P(法布 里巧羅)干設(shè)、邁克爾遜干設(shè)、馬赫增得干設(shè)等，其原理都是通過采集干設(shè)圖案從而分析得 到外界信號(hào)。但是，由于基于干設(shè)原理的傳感器要求的應(yīng)用環(huán)境比較苛刻，很難在室外推廣 和應(yīng)用。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提出一種基于光纖環(huán)形腔衰蕩技術(shù) 的車輛動(dòng)態(tài)測量傳感裝置及方法。該裝置構(gòu)思新穎，設(shè)計(jì)簡單，成本較低，適用于公路交通 車輛動(dòng)態(tài)測量。
[0007] 為解決W上技術(shù)問題，本實(shí)用新型給出W下技術(shù)方案：
[0008] -種基于光纖環(huán)形腔衰蕩技術(shù)的車輛動(dòng)態(tài)測量傳感裝置，其特殊之處在于:包括 脈沖光源1、導(dǎo)入光纖2、禪合器、傳感頭、傳輸光纖5、導(dǎo)出光纖6、光電探測器7、示波器8W及 用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)9;
[0009] 禪合器包括一號(hào)禪合器3a和二號(hào)禪合器3b，傳感頭包括一號(hào)傳感頭4a和二號(hào)傳感 頭4b;
[0010] 所述傳感頭包括光纖和兩個(gè)緩沖板，光纖設(shè)置在兩個(gè)緩沖板之間，緩沖板與光纖 接觸面為波紋面(即傳感頭可采用微彎結(jié)構(gòu)的傳感頭）；
[0011 ] -號(hào)禪合器3a、一號(hào)傳感頭4a、二號(hào)禪合器3b和二號(hào)傳感頭4b通過傳輸光纖連接 構(gòu)成環(huán)形諧振腔；
[0012] 所述脈沖光源通過導(dǎo)入光纖與一號(hào)禪合器3a相連，二號(hào)禪合器3b通過導(dǎo)出光纖與 光電探測器7相連，光電探測器7通過示波器8與計(jì)算機(jī)9相連；
[0013] 脈沖光源的脈沖寬度為t2,脈沖時(shí)間間隔為ti，脈沖光源的光束在環(huán)形諧振腔內(nèi)環(huán) 形一周的時(shí)間為Tr;脈沖光源經(jīng)環(huán)形諧振腔傳輸至光電探測器，光電探測器將接收到的光 信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將電信號(hào)顯示在示波器上，顯示的光譜為衰蕩光譜，衰蕩光譜的衰蕩 時(shí)間為τ，其中，t2<Tr，tl>T。
[0014] 環(huán)形諧振腔呈矩形，矩形環(huán)形諧振腔的四個(gè)角采用圓弧過渡；禪合器和傳感頭均 設(shè)置在矩形環(huán)形諧振腔的直線段。
[0015] 一號(hào)傳感頭4a和二號(hào)傳感頭4b的位置正對(duì)。
[0016] 上述傳感頭可由特種光纖替代。
[0017] 上述特種光纖是D型光纖、光子晶體光纖或裸光纖。
[0018] 上述傳輸光纖采用多模烙融石英光纖或單模烙融石英光纖。
[0019] 環(huán)形諧振腔的長度為10m，一號(hào)傳感頭4a和二號(hào)傳感頭4b之間的距離為Im。
[0020] 脈沖光源的重復(fù)頻率為1MHZ，脈寬為10ns。
[0021 ] 上述禪合器是2 X 2禪合器，禪合器的禪合比是1:99、12:88、0.1:99.9或8:92。
[0022] 禪合器的禪合比滿足W下原則：
[0023] 二號(hào)禪合器輸出的衰蕩光譜中峰值光強(qiáng)越大越好，二號(hào)禪合器輸出的衰蕩光譜中 的衰蕩峰數(shù)量越多越好。
[0024] 利用上述傳感裝置進(jìn)行車輛動(dòng)態(tài)測量的方法，包括測量車輛重量Μ的步驟，具體如 下：
[0025] 1)計(jì)算k，k的單位為kg · S
[0026] 1.1)獲得空載時(shí)環(huán)形諧振腔輸出的光強(qiáng)衰減到輸入到環(huán)形諧振腔光強(qiáng)的1/e所需 時(shí)間τ〇
[0027] 空載時(shí)，脈沖光源產(chǎn)生的光束經(jīng)由導(dǎo)入光纖2進(jìn)入環(huán)形諧振腔，多次經(jīng)過傳感頭， 進(jìn)入環(huán)形諧振腔的部分光波經(jīng)導(dǎo)出光纖進(jìn)入到光電探測器，光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電 信號(hào)，并在示波器上顯示相應(yīng)的衰蕩光譜，由衰蕩光譜直接獲得時(shí)間τ〇;τ〇的單位為S;
[002引1.2)選取多個(gè)已知重量的被測單元；
[0029] 1.3)將被測單元分別放置在本實(shí)用新型的其中一個(gè)傳感頭上，根據(jù)步驟1.1)的方 法，分別獲得各個(gè)被測單元不同的衰蕩時(shí)間τη;
[0030] 1.4) W被測單元的重量為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)進(jìn)行線性曲線擬合，通過擬 了詩 合公式得到k;
[0031] 2)獲得車輪經(jīng)過時(shí)該壓力作用下環(huán)形諧振腔輸出的光強(qiáng)衰減到輸入到環(huán)形諧振 腔光強(qiáng)的1/e所需時(shí)間τ
[0032] 車輪經(jīng)過時(shí)，脈沖光源產(chǎn)生的光束經(jīng)由導(dǎo)入光纖2進(jìn)入環(huán)形諧振腔，多次經(jīng)過傳感 頭，進(jìn)入環(huán)形諧振腔的部分光波經(jīng)導(dǎo)出光纖進(jìn)入到光電探測器，光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化 為電信號(hào)，并在示波器上顯示相應(yīng)的衰蕩光譜，由衰蕩光譜直接獲得時(shí)間τ ; τ的單位為S ;
[0033] 3)根據(jù)如下公式，計(jì)算壓過傳感頭的車輛的重量Μ:
[0034]
[0035] 其中，Μ的單位為kg。
[0036] 在步驟1)中，被測單元采用破碼，被測單元的數(shù)量為10個(gè);為了減小測量車輛重量 Μ的誤差，在計(jì)算k時(shí)，選取的被測單元越多越好。
[0037] 還包括獲得車速的步驟：
[0038] 兩個(gè)傳感頭之間的距離為d，
[0039] 車輪壓過傳感頭時(shí)，記錄車輪經(jīng)過一號(hào)傳感頭和二號(hào)傳感頭所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔 Td，通過公示= 獲得對(duì)應(yīng)的車速。 樂?
[0040] 本實(shí)用新型具有W下技術(shù)效果：
[0041] 1、本實(shí)用新型將腔衰蕩技術(shù)與壓力傳感技術(shù)相結(jié)合，從而將功率信號(hào)的測量轉(zhuǎn)化 在時(shí)域上的測量，方便信號(hào)探測與處理；
[0042] 2、本實(shí)用新型使用全光纖結(jié)構(gòu)，極大的減小了傳統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)帶來的損耗；
[0043] 3、本實(shí)用新型利用光纖環(huán)形諧振腔，使得光波多次通過傳感頭，增加了吸收光程， 相當(dāng)于將外界信號(hào)進(jìn)行放大，極大地提高了該系統(tǒng)的監(jiān)測靈敏度，適合微弱信號(hào)的測量；
[0044] 4、本實(shí)用新型采用"跑道型"環(huán)形諧振腔，一方面有利于光束的禪合，減小禪合帶 來的幅值損失和相位差；另一方面有利于傳感頭的安裝，減小因?yàn)楣饫w本身彎曲帶來的損 失；
[0045] 5、本實(shí)用新型傳感頭采用微彎結(jié)構(gòu)，對(duì)于解釋光束在多模光纖中傳輸對(duì)外界壓力 的響應(yīng)具有較強(qiáng)的理論依據(jù)；
[0046] 6、本實(shí)用新型將壓力監(jiān)測系統(tǒng)同速度檢測系統(tǒng)融為一體，實(shí)現(xiàn)了速度和車重的實(shí) 時(shí)測量；
[0047] 7、本實(shí)用新型不易受光源波動(dòng)的影響，衰蕩譜測量的是光的衰蕩時(shí)間，它只是一 個(gè)光強(qiáng)的比值，是一個(gè)相對(duì)量，不會(huì)因?yàn)楣庠垂鈴?qiáng)的不穩(wěn)定而受影響；
[004引8、本實(shí)用新型具有很強(qiáng)的靈活性，根據(jù)不同被測物理量，可采用不同的傳感頭，實(shí) 現(xiàn)不同物理量的測量；
[0049] 9、該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，成本低廉；
[0050] 10、本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)測，緩解了目前需要停車測量帶來的交通不 便。
【附圖說明】
[0051 ]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052] 圖2為本實(shí)用新型中環(huán)形諧振腔空載（即沒有車輪壓過傳感頭）和有壓力作用下 (即有車輪壓過傳感頭)衰蕩光譜示意圖；
[0053] 圖3為本實(shí)用新型中不同重量車輛作用于傳感頭衰蕩光譜示意圖，圖中P1、P2、P3、 P4和P5表示不同重量的車輛產(chǎn)生的壓強(qiáng)；
[0054] 圖4為本實(shí)用新型中不同重量破碼對(duì)應(yīng)的衰蕩時(shí)間線性擬合曲線示意圖；
[0055] 圖5為本實(shí)用新型中脈沖光源示意圖。
[0056] 附圖標(biāo)記：1為脈沖光源，2為導(dǎo)入光纖，3a為一號(hào)禪合器，3b為二號(hào)禪合器，4a為一 號(hào)傳感頭、4b為二號(hào)傳感頭、5為傳輸光纖、6為導(dǎo)出光纖、7為光電探測器、8為示波器，9為計(jì) 算機(jī)，10為緩沖板，11為傳感頭中的光纖，12為波紋面。
【具體實(shí)施方式】
[0057] 如圖1，本實(shí)用新型提供了一種基于光纖環(huán)形腔衰蕩技術(shù)的車輛動(dòng)態(tài)測量傳感裝 置，該裝置主要由脈沖光源1、導(dǎo)入光纖2、一號(hào)2X2禪合器3a、一號(hào)傳感頭4a、二號(hào)傳感頭 4b、傳輸光纖5、二號(hào)2X2禪合器3b、導(dǎo)出光纖6、光電探測器7、示波器8W及用于數(shù)據(jù)處理的 計(jì)算機(jī)9組成。一號(hào)傳感頭4a和二號(hào)傳感頭4b均可采用微彎結(jié)構(gòu)，微彎結(jié)構(gòu)局部放大圖如圖 1; 一號(hào)2 X 2禪合器3a、一號(hào)傳感頭4a、二號(hào)2 X 2禪合器3b和二號(hào)傳感頭4b通過傳輸光纖連 接構(gòu)成光纖"跑道型"環(huán)形諧振腔；